ＺｎＯ納米半導體材料制備

摘要:文章闡述了一些制備ZnO納米半導體材料的常用技術，如模板制備法、物理氣相沉積、脈沖激光沉積、分子束外延、金屬有機化合物氣相沉積，并分析了各種方法的優缺點。

關鍵詞:ZnO;模板制備法; PVD; PLD; 金屬有機化合物氣相沉積

中圖分類號:TN304文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)14-0090-02

隨著科學和商業的飛速發展，人們對納米半導體材料有了更加深入的認識，對其在光學器件和電學器件方面的應用產生了濃厚的興趣。最初人們在研究ZnSe和GaN等短波長納米半導體材料方面取得了一定的進展， GaN制備藍綠光LED的技術已經相當成熟。但是，由于ZnSe穩定性較差，一直使之無法商品化生產。在長期的對寬帶半導體材料的科學研究中，人們發現ZnO半導體納米材料具有更多的優點。ZnO是一種新型的寬禁帶半導體氧化物材料，室溫下能帶寬度為3.37 eV，略低于GaN的3.39 eV，其激子束縛能(60meV)遠大于GaN(25 meV)的激子束縛能。由于納米ZnO在紫外波段有較強的激子躍遷發光特性，所以在短波長光子學器件領域有較廣的應用前景。此外，ZnO納米半導體材料還可沉積在除Si以外的多種襯底上，如玻璃、Al2O3、GaAs等，并在 0.4～2μm 的波長范圍內透明，對器件相關電路的單片集成有很大幫助，在光電集成器件中具有很大的潛力。文章闡述了近年來ZnO納米半導體材料的制備技術，并對這些技術的優缺點進行了分析。

ZnO是一種應用較廣的半導體材料，在很多光學器件和電學器件中有很廣泛的應用，由此也產生了多種納米半導體器件的制備方法，主要有以下幾種:

1模板制備法

模板制備法是一種用化學方法進行納米材料制備的方法，被廣泛地用來合成各種各樣的納米棒、納米線、納米管等。此種方法使分散的納米粒子在已做好的納米模板中成核和生長，因此，納米模板的尺寸和形狀決定了納米產物的外部特征。科學家們已經利用孔徑為40 nm和20 nm左右的多孔氧化鋁模板得到了高度有序的ZnO納米線。鄭華均等人用電化學陽極氧化-化學溶蝕技術制備出了一種新型鋁基納米點陣模板，此模板由無數納米凹點和凸點構成，并在此模板上沉積出ZnO納米薄膜。此外，李長全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸鈉為模板制備出ZnO納米管。該方法優點:較容易控制納米產物的尺寸、形狀。缺點:需要模板有較高的質量。

2物理氣相沉積(PVD)

物理氣相沉積可以用來制備一維ZnO納米線和二維ZnO納米薄膜，原理是通過對含Zn材料進行濺射、蒸發或電離等過程，產生Zn粒子并與反應氣體中的O反應，生成ZnO化合物，在襯底表面沉積。物理氣象沉積技術已經演化出三種不同的方法，它們是真空蒸發法，真空濺射法和離子鍍，離子鍍是目前應用較廣的。離子鍍是人們在實踐中獲得的一種新技術，將真空蒸發法和濺射法結合起來，在高真空環境中加熱材料使之汽化后通入氫氣，在基體相對于材料間加負高壓，產生輝光放電，通過電場作用使大量被電離的材料的正離子射向負高壓的襯底，進行沉積。張琦鋒、孫暉等人用氣相沉積方法已經制備出了一維ZnO納米半導體材料。優點:所得到的納米產物純度高，污染小;薄膜厚度易于控制;材料不受限制。但是這種方法對真空度要求較高。

3脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition)

脈沖激光沉積也稱PLD，常用于納米薄膜的制備。其工作原理就是用特定波長和功率的激光脈沖聚焦光束，濺射真

空狀態下特定氣壓中的加熱靶材，激光束與靶材相互作用而產生的粒子團噴射到襯底表面，通過控制氣流速度控制材料在襯底表面的沉積速度。牛海軍等人用一種新穎的垂直靶向脈沖激光沉積(VTPLD)方法，在常溫常壓空氣環境下，在玻璃基底上得到ZnO納米薄膜。該方法優點:制備的薄膜物質比例與靶材相同;實驗控制條件較少，易于控制;襯底溫度要求較低。缺點:薄膜雜志較多;單純濺射產生的粒子團密度不易控制，因此無法大面積生長均勻的薄膜。

4分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)

分子束外延(MBE)技術可以制備高質量薄膜。MBE技術可以在特定超高真空條件下較為精確的控制分子束強度，把分子束入射到被加熱的基片上，可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。分子束外延設備主要包括超高真空系統、分子束源、樣品架、四極質譜計QMS和反射式高能電子衍射裝置RHEED。周映雪等人利用分子束外延(MBE) 和氧等離子體源輔助MBE方法分別在三種不同襯底硅(100)、砷化鎵(100)和藍寶石 (0001)上先制備合適的緩沖層，然后在緩沖層上得到外延生長的ZnO薄膜。該方法優點:生長速度極慢，每秒1～10;薄膜可控性較強;外延生長所需溫度較低。缺點:真空環境要求較高;無法大量生產。目前常用于生長高質量的ZnO薄膜分子束外延有兩種:一種是等離子增強，另一種是激光，兩種方法均已生長出高質量的ZnO 薄膜。

5金屬有機化合物氣相沉積( Metal Organic Chemical Vapor Deposition)

金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)是一種利用有機金屬在加熱襯底上的熱分解反應進行氣相外延生長薄膜的方法。反應室是MOCVD的核心部分，它對外延層厚度、組分均勻性、異質結界面梯度、本底雜質濃度以及產量有極大的影響。按反應室形狀的不同，可分為水平式反應室和立式反應室，同時根據反應室的壓力又可分為常壓 MOCVD和低壓MOCVD。劉成有利用MOCVD方法制備出高質量的ZnO薄膜。在一定襯底溫度及壓強下，制備出ZnO納米管。該方法優點是: 薄膜可控性較強;適合大批量生產。其缺點有:需精確控制;傳輸氣體有毒性。但目前不僅利用MOCVD法已生長出較高質量的ZnO薄膜，而且還獲得了MgZnO三元系薄膜。

除上述納米材料的常用制備技術，還有很多其他方法。隨著科技的發展和高質量納米產品的需求，人們對納米半導體材料的研究會更加深入，對其生長機理理解的更為透徹，隨之納米半導體材料制備技術將不斷地發展和完善。高質量納米半導體產品會不斷出現，并被廣泛的應用于人們的生活中。

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